Die GNSS Systeme
GNSS* ist ein hervorragendes Positionierungssystem, wenn keine störenden Elemente in der Umgebung sind. Durch Abschattungen, z.B. durch Gebäude oder Bäume wird die Positionsgenauigkeit eingeschränkt. Im schlimmsten Fall – in einem Tunnel – fällt die GPS-Positionierung (oder die eines anderen Satellitennavigationssystems) eines Fahrzeugs komplett aus. Auch schnelle Flugmanöver können die Positionierung mittels GPS kurzzeitig beeinträchtigen.
(*GNSS = Globale Navigation Satelliten Systeme, deshalb sprechen wir hier von GNSS.)
GPS ist das amerikanische System für eine Satellitennavigation. Dieser Begriff hat sich so eingeprägt, dass er als Synonym für alle Satellitennavigationssystem gilt.
Die von uns angebotenen Lösungen bieten durchwegs die Unterstützung und Verwendung von allen zurzeit verfügbaren Satellitennavigationssystemen:
- GPS (USA)
- GLONASS (Russische Föderation)
- GALILEO (Europa)
- BEIDOU (China)
- QZSS (Japan)
GNSS Empfänger und wodurch sie sich unterscheiden.
Die Hersteller bieten GNSS Empfänger in unterschiedlichen Leistungs- und Preisklassen an. Grundsätzlich kann man sagen, je genauer und zuverlässiger, desto teurer.
Die meisten Hersteller bieten günstige GNSS Empfänger mit der Auswertung von „nur“ einer Frequenz an. Diese können mit Korrekturdaten die gleiche Genauigkeit wie die deutlich teureren Mehrfrequenzempfänger erreichen.
Jedoch benötigt der GNSS Empfänger deutlich länger bis er die Genauigkeit erreicht, die Zuverlässigkeit ist etwas schlechter und die Lösung wird schneller verloren. Steht eine zuverlässige, robuste und schnelle Lösung im Vordergrund, haben sich Multisysteme mit Mehrfrequenzauswertung durchgesetzt.
Welche Genauigkeitsstufen können GNSS Empfänger erreichen?
Genauigkeitsstufen:
- 2 bis 5 Meter
per Autonomer Lösung ohne jegliche Korrektur von außen
- 0,5 bis 1,5 Meter
per DGPS, mittels Korrekturdaten über Satelliten empfangen
- 0,3 bis 0,7 Meter
per DGPS, mittels lokaler Korrektur über Funk oder Mobilfunk empfangen
- 0,01 bis 0,1 Meter
per RTK, mittels lokaler Korrektur über Funk oder Mobilfunk empfangen
Als Korrekturdaten können lokale Referenzstationen mit Funkübertragung und/oder per GSM/GPRS (Mobilfunk) in Frage kommen.
Am häufigsten wird aktuell die Übertragung per GPRS (Mobilfunk) von Referenzstationsanbieter über das Internet (NTRIP) verwendet.
Stark im Kommen sind die PPP (Präzision Punkt Positionierung) Korrekturdaten, die per Satellit weltweit empfangen werden können.
Hier werden Korrekturen zur Zeitmessung und der Bahndaten der Satelliten, sowie der Einfluss der Atmosphäre berücksichtigt.
Die Berechnung der Lösung dauert zwischen 5 und 30 Minuten und liefert eine Genauigkeit von ca. 5cm.
Die IMU Systeme
IMU-Systeme (Inertial Measurement Unit), zu Deutsch: Inertiale Messeinheit.
Eine IMU ist ein elektronisches Gerät, das mit Hilfe von 3-Achsbeschleunigungsmessern (rotatorische und translatorische B-Messer), folgende Messgrößen auf einem Fahrzeug bestimmen kann: die linearen Beschleunigungskräfte in X, Y und Z sowie die Rotationskräfte um die X, Y und Z Achse. Aus diesen Beschleunigungswerten werden die Geschwindigkeit, die Drehraten (Winkelgeschwindigkeit) und die Positionsveränderungen in alle 3 Raumrichtungen abgeleitet.
IMU-Systeme unterscheiden sich in der Auswahl der elektronischen Komponenten zur Erfassung der Winkelgeschwindigkeiten.
Hierzu werden MEMS, Faserkreisel oder Laserkreisel verwendet.
Die entscheidenden Unterschiede sind die erreichbaren Genauigkeiten der Winkel und deren Drift. Also die Abweichung im zeitlichen Ablauf.
Die Integration von GNSS plus IMU
Der wichtigste Unterschied,
unserer Meinung nach, ist die Integration der beiden Systeme.
Hier wird zwischen Loosely Coupled und Tightly Coupled unterschieden.
Loosely Coupled
Die beiden Systeme, GPS und IMU arbeiten jede für sich ihre Lösung und die Daten werden nachträglich miteinander in einer Software ausgewertet.
Meistens werden nachträglich per Kalmanfilter Einschätzungen zur Position, der Geschwindigkeit und der Beschleunigung berechnet.
Damit werden schon gute Ergebnisse erreicht, die besser sind, als die Leistungen der jeweiligen Einzelsysteme.
Tightly Coupled
Die beiden Systeme, GPS und IMU arbeiten auf Rohdatenbasis zusammen und arbeiten nicht mehr als unabhängige Sensoren.
Es entsteht ein Gesamtkonzept mittels Sensorfusion.
GPS Updates werden dazu genutzt, die IMU zu kalibrieren, während die IMU die Regelschleifen des GPS Empfängers unterstützt. Dies kann sich insbesondere bei schwierigen Empfangsbedingungen wie Interferenzen oder andere das GPS Signal störende Verhältnisse positiv auswirken. Hier profitieren beide System voneinander, die GPS Empfänger können stabilere Lösungen in schlechten Umgebungen erzielen und die IMU’s können höhere Genauigkeiten und stabilere und längere Driftzeiten erreichen.
Es werden einerseits wesentlich bessere und zuverlässigere Ergebnisse erzielt oder mit wesentlich günstigeren MEMS IMU’s in Kombination mit den passenden GPS Sensor, kostengünstige Systemlösungen möglich.
Die SPAN Systeme von NovAtel sind immer „tighly coupled“ Lösungen.
Es gibt viele Anwendungen
Hier einige Beispiele:
- Straßenvermessung für Navigationskarten. Damit werden Aufnahmen in Stadtkernen und in Tunnels ermöglicht.
- Landwirtschaftliche Maschinen, die auch am Waldrand genau positioniert werden müssen.
- Flußvermessungen, um die GPS Ausfälle in engen Flußtälern und unter Brücken zu kompensieren.
- Positionierungen in Flugzeugen, damit auch bei schnellen Flugmanövern noch eine Positionierung stattfinden kann.
- Stabilisierung von Plattformen, um die GPS Messungen für Roll- und Neigungswinkel zu stabilisieren.
- Messungen in der KFZ-Entwicklung bei Beschleunigungs- und Bremstests.
- Als Referenz zur Beurteilung anderer elektronischer Komponenten bei der Entwicklung autonomer Fahrzeuge.